CN108196267A - 一种基于gnss cp技术的不间断时间传递方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于GNSS CP技术的不间断时间传递方法，通过滑动窗口方式对卫星轨道和钟差产品进行内插处理，消除了单天解的时间传递量在天与天连接处经常产生跳变及异常值的现象；基于时间传递领域中的CP模型对载波相位观测值进行处理，将接收机钟差当作白噪声参数进行估计，使得钟差参数更好反映本地钟的实际特性，并对GPS CP观测量进行抗差估计，有效提出了粗差及异常值对时间传递的影响；最后对卫星的载波相位模糊度分别采取连续估计、连续继承策略，为时间与频率信号的连续监测和科学研究提供了一种新的技术手段。本发明算法先进，连续运行稳定性好，易操作。

Description

一种基于GNSS CP技术的不间断时间传递方法

技术领域

本发明涉及一种基于GNSS的远程精密时间传递方法。

背景技术

全球卫星导航定位系统(GNSS)是以高精度时间测量基础的，同时从另一方面也提供了一种精密时间传递服务的新途径。由于GNSS观测的连续性、高精度、全球性等优点，它已成为国际时频机构间进行时间传递的一种新的重要技术手段。基于GNSS的远程时间传递主要分为两类方法。一类是利用GNSS伪距观测值的卫星共视(common view，CV)时间传递，由于该方法需要在参与时间传递的站点处同时观测到同一个卫星，因此该方法易受站点之间距离及伪距观测值的精度限制；另一类是利用全视法(All View，AV)进行远程时间传递，特别是近年来发展起来的载波相位(Carrier Phase，CP)时间传递方法可以获得了较高的精度，然而该方法受到了多种因素的影响而导致时间传递量在天与天之间不连续，即所谓的“天跳”。这种“天跳”使得基于GPS CP方法无法进行多天连续的远程时间传递，进而严重影响国际时频实验室之间进行时间传递的性能。因此，如何采用高精度的载波相位观测值进行不间断时间传递是当前GNSS授时领域研究中亟需解决的科学问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于GNSS CP技术的不间断时间传递方法，设计了基于滑动窗口的精密轨道和钟差内插方法，有效克服了一般多项式在数据弧段端部处内插误差急剧增大的问题；同时利用白噪声模拟接收机钟差的随机特性，有效反映了原子钟的物理特性，利用抗差估计进行质量控制；最后利用连续模糊度估计算法，对基于传统GNSS CP技术的时间传递中，在天与天之间极易产生接收机钟差跳变的现象进行有效克服；此外，利用不间断的时间传递的方法，提高了利用载波相位时间传递量进行国际TAI计算以及时间尺度比对中的长期稳定性，特别是大于一天的效果更加明显。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，获取GNSS单天的伪距、载波相位观测数据及卫星轨道和钟差产品；利用滑动窗口的插值模型进行精密卫星轨道和钟差内插，获得精度均匀的插值点；在插值当天的首历元和最后一个历元的插值过程中，增加插值当天的前一天和后一天的至少半个窗口数据量的数据点；

第二步，建立GNSS CP观测模型，进一步获得法方程，并进行参数估计；接收机钟差参数估计采用白噪声的随机模型，前后历元钟差参数不继承；

第三步，在连续时间传递工作中，遇到跨天的钟差估计，利用前一天最后一个历元的观测方程和第二天首历元的观测方程，形成组合后的法方程

基于此法方程估计当天的模糊度参数，获得连续的模糊度估计量；式中，角标k、k-1分别代表当天时间传递的最后一个历元和第二天的首个历元，L为观测量，A为设计矩阵；P为相应的权矩阵；

第四步，利用已确定的连续模糊度参数，获得不间断的接收机钟差：

式中，N₁₁为接收机钟差参数的法方程系数，N₁₂和N₂₁为接收机钟差参数与模糊度参数的协方差，X_Clk为接收机钟差待估参数，b₁为接收机钟差的法方程观测量，X为已经确定的模糊度参数；

第五步，根据多站点处标称的天线及接收机主机到本地钟之间的硬件延迟量，实现任意两站间的高精度不间断载波相时间传递，时间传递量

式中，i,j分别代表i站处和j站处的参数量，D为硬件延迟量。

所述的第一步中，卫星轨道的内插采用9阶多项式插值，相应的滑动窗口长度固定为18个数据点；卫星钟差的内插采用5阶多项式插值，相应的滑动窗口长度固定为9个数据点。

本发明的有益效果是：

第一，消除了传统基于GNSS CP技术时间传递过程中，卫星轨道和钟差产品的首历元和末历元内插误差急剧增大的现象。使得拉格朗日内插精度在所有历元均是平滑和自洽的；

第二，提高了接收机钟差参数估计的有效性，一方面，利用白噪声过程模拟接收机钟的变化，有效还原了原子钟自由运转的物理特性，其前后历元互不相关；另一方面，而采用白噪声过程描述接收机钟差参数的随机过程比较且有效；

第三，改善了传统GNSS CP时间传递中模糊度参数在天与天之间发生跳跃的问题，获得了连续的模糊度参数估计量，恢复了模糊度在不发生周跳的情况下连续累计且为常数的物理性质；

第四，获得了不间断的GNSS CP时间传递效果。有效改善了传统GNSS CP时间传递量在天与天之间发生跳变的现象，提高了GNSS CP技术用于时间传递的频率稳定度，特别是在一天以上的频率稳定度更为明显。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是滑动窗口的卫星轨道与钟差内插示意图；

图3是基于白噪声的钟差参数估计示意图；

图4是模糊度参数连续估计与继承示意图；

图5是基于GNSS CP的不间断时间传递量的获取示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：通过利用卫星轨道钟差内插方法的改善，接收机钟差的准确模拟和参数估计的质量控制，以及载波相位模糊度参数连续估计算法对传统GNSS CP技术中天与天之间极易出现不连续的跳变进行有效消除，包括以下步骤：

第一步，获取GNSS单天的伪距、载波相位观测数据及卫星轨道和钟差产品，按照图2所示进行基于滑动窗口的卫星轨道和钟差的内插，获得精度均匀的插值点。天与天衔接处数据点的内插需要额外获得前一天或者后一天的至少半个窗口数据量的数据点。

第二步，建立GNSS CP观测模型，进一步获得法方程，并进行参数估计，如图3所示。接收机钟差参数估计采用白噪声的随机模型，前后历元钟差参数不继承。

第三步，在连续时间传递工作中，如遇到跨天的钟差估计，按照图4所示，利用前一天最后一个历元的模糊度参数的估计量及其协因数矩阵，结合第二天首历元的GNSS CP观测模型，进而形成组合后的法方程。基于此法方程估计当天的模糊度参数，即可获得连续的模糊度估计量。

第四步，利用连续的载波相位模糊度，获取连续的接收机钟差估计量。按照图5所示，结合各个站点的硬件延迟，最终获取不间断的载波相位时间传递量。

本发明的实施例包括以下步骤：

第一步，利用滑动的窗口的插值模型进行精密卫星轨道和钟差内插。考虑到卫星轨道相对比较平滑，因此内插是采用9阶多项式插值，相应的滑动窗口长度固定为18个数据点；卫星钟差采用的是5阶多项式插值方法，其相应的滑动窗口长度固定为9个数据点。已知函数y＝f(x)的n+1个数据点x₀,x₁,x₂…,x_n及其对应的函数值y₀,y₁,y₂,…,y_n，对于区间内的任何子数据点，采用下面的拉格朗日多项式计算

式中，l_k(x)为插值基函数；n为阶数；x为观测历元，y_k为精密卫星轨道或卫星钟差产品x_k时刻数据观测量。为了使得位于在单天精密产品首历元和最后一个历元能够处于滑动窗口的中心位置，在插值过程中，需要利用插值当天前后两天半个窗口长度的数据点。通过本步骤可以有效消除GPS CP时间传递中钟差的端部效应的影响。

第二步，利用白噪声过程模拟接收机钟差变化。一般的，连续一阶高斯马尔可夫过程模拟的状态方程为其中，τ_GM为相关时间，W(t)为方差为σw的零均值白噪声，ρ(t)为过程观测量。在利用白噪声模拟钟差变化过程中，τ_GM＝0，一阶马尔科夫过程即变为白噪声。也就是说，在本历元的接收机钟差的估计中，与其他历元的钟差值无关，并与其他待估参数一起解算。在实际实现中，需要将每个历元钟差参数的方差-协方差矩阵的元素重置为零，这样可以实现钟差参数变化的白噪声过程模拟。

第三步，模糊度参数连续估计与继承。在利用单天的GNSS观测文件、精密轨道和钟差文件进行GNSS CP时间传递的过程中，为了获取连续的时间传递量，需要保持模糊度参数在天与天之间的连贯性。具体做法是：设当天时间传递最后一个历元的观测方程(2)和第二天首个历元的观测方程(3)分别为：

V_k-1＝L_k-1-A_k-1X P_k-1 (2)

V_k＝L_k-A_kX P_k (3)

式中，角标k、k-1分别代表当天时间传递的最后一个历元和第二天的首个历元，V为残差，L为观测量，A为设计矩阵；X为待估参数，主要包括坐标参数，模糊度参数，P为相应的权矩阵。因此，第二天首个历元的载波相位模糊度的计算公式可以直接表示为：

显然，在进行至少两天以上的GNSS CP时间传递中，利用方程(4)可以获得具有连续性和继承性的模糊度参数。

第四步，利用已确定连续的模糊度参数，利用方程(5)即可获得不间断的接收机钟差：

式中，N₁₁为接收机钟差参数的法方程系数，N₁₂和N₂₁为接收机钟差参数与模糊度参数的协方差，X_Clk为接收机钟差待估参数，b₁为接收机钟差的法方程观测量，X为已经确定的模糊度参数。

第五步，根据多站点处标称的天线及接收机主机到本地钟之间的硬件延迟量，利用第四步获得的不间断接收机钟差，结合方程(6)，即可实现任意两站间的高精度不间断载波相时间传递。

式中，ΔT为时间传递量，i,j分别代表i站处和j站处的参数量，X_Clk为已估计接收机钟差参数，D为硬件延迟量。

Claims (2)

1.一种基于GNSS CP技术的不间断时间传递方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，获取GNSS单天的伪距、载波相位观测数据及卫星轨道和钟差产品；利用滑动窗口的插值模型进行精密卫星轨道和钟差内插，获得精度均匀的插值点；在插值当天的首历元和最后一个历元的插值过程中，增加插值当天的前一天和后一天的至少半个窗口数据量的数据点；

第二步，建立GNSS CP观测模型，进一步获得法方程，并进行参数估计；接收机钟差参数估计采用白噪声的随机模型，前后历元钟差参数不继承；

第三步，在连续时间传递工作中，遇到跨天的钟差估计，利用前一天最后一个历元的观测方程和第二天首历元的观测方程，形成组合后的法方程

基于此法方程估计当天的模糊度参数，获得连续的模糊度估计量；式中，角标k、k-1分别代表当天时间传递的最后一个历元和第二天的首个历元，L为观测量，A为设计矩阵；P为相应的权矩阵；

第四步，利用已确定的连续模糊度参数，获得不间断的接收机钟差：

式中，N₁₁为接收机钟差参数的法方程系数，N₁₂和N₂₁为接收机钟差参数与模糊度参数的协方差，X_Clk为接收机钟差待估参数，b₁为接收机钟差的法方程观测量，X为已经确定的模糊度参数；

第五步，根据多站点处标称的天线及接收机主机到本地钟之间的硬件延迟量，实现任意两站间的高精度不间断载波相时间传递，时间传递量

式中，i,j分别代表i站处和j站处的参数量，D为硬件延迟量。

2.根据权利要求1所述的基于GNSS CP技术的不间断时间传递方法，其特征在于：所述的第一步中，卫星轨道的内插采用9阶多项式插值，相应的滑动窗口长度固定为18个数据点；卫星钟差的内插采用5阶多项式插值，相应的滑动窗口长度固定为9个数据点。